基于非線性模型的超聲回波模擬及其特征參數(shù)估計(jì)的研究.pdf

1、利用超聲脈沖回波進(jìn)行無損探測，是無損檢測和生物醫(yī)學(xué)工程研究中的一個(gè)重要手段。該方法通過換能器發(fā)射聲脈沖照射目標(biāo)，后接收反射回波完成對(duì)目標(biāo)的探測。主要目的是，確定反射目標(biāo)的物理特性如幾何形狀、尺寸以及傳輸路徑上的各種信息。若想從回波中得到理想的、有實(shí)用價(jià)值的信息，當(dāng)然離不開對(duì)目標(biāo)回波的正確分析和認(rèn)識(shí)。 一般的超聲回波信號(hào)處理方法都涉及噪聲的抑制、回波特征的提取、及信號(hào)的優(yōu)化這三個(gè)問題，但通常一種方法只能解決其中的一個(gè)問題。

2、 之前，對(duì)超聲模型的研究主要集中在線性模型，即將發(fā)射信號(hào)作為輸入激勵(lì)源，回波信號(hào)作為系統(tǒng)的輸出，整個(gè)系統(tǒng)的輸出響應(yīng)看成是換能器脈沖響應(yīng)、路徑傳輸響應(yīng)和目標(biāo)響應(yīng)幾者的卷積。由于超聲回波具有明顯的非線性，應(yīng)用線性模型的方法進(jìn)行模擬必然存在局限性，誤差也較大。 本文將超聲回波模擬為一被噪聲污染的高斯信號(hào)，它是回波的中心頻率、帶寬、到達(dá)時(shí)間、相位和幅度等的非線性函數(shù)。研究表明，利用該模型通過數(shù)值迭代可使回波參數(shù)估計(jì)獲得較高精度，也可同時(shí)

3、解決超聲回波中的噪聲抑制、回波特征參量提取及信號(hào)優(yōu)化這三個(gè)問題。 本文進(jìn)行了以下幾項(xiàng)研究工作： 1．建立了超聲回波非線性模型——高斯回波模型。 換能器的頻率響應(yīng)在回波響應(yīng)中占主要因素，而其頻率響應(yīng)曲線呈高斯分布，故文中用被噪聲污染的高斯信號(hào)來模擬超聲回波。應(yīng)用一個(gè)高斯信號(hào)模擬單重回波，多個(gè)高斯信號(hào)疊加模擬多重回波。 2．實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該非線性模型模擬超聲回波的可行性。 采用脈沖反射法獲取銅塊對(duì)超聲的回

4、波信號(hào)。應(yīng)用該非線性模型模擬采集到的超聲回波，獲得了較好的效果，說明該非線性模型的方法是可行的。 3．應(yīng)用高斯一牛頓算法和模擬退火算法分別計(jì)算了單重回波的特征參數(shù)向量，并應(yīng)用該非線性模型模擬了單重超聲回波。 將高斯回波模型模擬單重超聲回波的問題轉(zhuǎn)化為最小二乘問題，分別應(yīng)用高斯一牛頓算法及模擬退火算法計(jì)算其特征參數(shù)向量，模擬單重超聲回波。結(jié)果表明，高斯一牛頓算法能以較少的迭代次數(shù)計(jì)算出精度較高的超聲回波特征參數(shù)向量，但該算

5、法對(duì)初值的設(shè)置較敏感。模擬退火算法對(duì)初值的設(shè)置不敏感，能計(jì)算得到較為精確的特征參數(shù)向量，但該算法所費(fèi)機(jī)時(shí)較多。模擬出的單重超聲回波均與無噪聲時(shí)的原波形高度接近。 4．應(yīng)用EM算法計(jì)算了多重回波的特征參數(shù)向量，并應(yīng)用高斯回波模型模擬了多重超聲回波。 以雙重回波為例研究了高斯回波模型模擬多重回波的問題。本文將雙重回波分為分離的雙重回波和疊加的雙重回波，分別應(yīng)用EM算法計(jì)算了回波的特征參數(shù)向量。結(jié)果表明，EM算法能較為準(zhǔn)確地計(jì)